Биополимеры

Биополимеры (далее Б), высокомолекулярные природные соединения, являющиеся структурной, основой всех живых организмов и играющие определяющую роль в процессах жизнедеятельности. К Б относятся нуклеиновые кислоты и полисахариды; известны также смешанные Б - гликопротеиды, липопротеиды, гликолипиды и др.

Биологические функции Б Нуклеиновые кислоты выполняют в клетке генетические функции. Последовательность мономерных звеньев (нуклеотидов) в дезоксирибонуклеиновой кислоте - ДНК (иногда в рибонуклеиновой кислоте - РНК) определяет (в форме генетического кода) последовательность мономерных звеньев (аминокислотных остатков) во всех синтезируемых и, т. о., строение организма и протекающие в нем биохимические процессы. При делении каждой клетки обе дочерние клетки получают полный набор генов благодаря предшествующему самоудвоению (репликации) молекул ДНК. Генетическая информация с ДНК переносится на РНК, синтезируемую на ДНК как на матрице (транскрипция). Эта т. н. информационная РНК (и-РНК) служит матрицей при синтезе происходящем на особых органоидах клетки - рибосомах (трансляция) при участии транспортной РНК (т-РНК). Биологическая изменчивость, необходимая для эволюции, осуществляется на молекулярном уровне за счет изменений в ДНК (см. Мутация).

Белки выполняют в клетке ряд важнейших функций. осуществляют все реакции обмена веществ в клетке, проводя их в необходимой последовательности и с нужной скоростью. мышц, жгутиков микробов, клеточных ворсинок и др. выполняют сократительную функцию, превращая энергию в механическую работу и обеспечивая подвижность организма в целом или его частей. - основной материал большинства клеточных структур (в т. ч. в специальных видах тканей) всех живых организмов, оболочек вирусов и фагов. Оболочки клеток являются липопротеидными мембранами, рибосомы построены из и РНК и т.д. Структурная функция тесно связана с регуляцией поступления различных веществ в субклеточные органеллы (активный транспорт ионов и др.) и с ферментативным катализом. выполняют и регуляторные функции (репрессоры), "запрещая" или "разрешая" проявление того или иного гена. В высших организмах имеются - переносчики тех или иных веществ (например, гемоглобин - переносчик молекулярного и иммунные защищающие организм от чужеродных веществ, проникающих в организм (см. Иммунитет). Полисахариды выполняют структурную, резервную и некоторые другие функции. и нуклеиновые кислоты образуются в живых организмах путем матричного ферментативного биосинтеза. Имеются теперь и биохимические системы внеклеточного синтеза Б с помощью ферментов, выделенных из клеток. Разработаны методы синтеза и нуклеиновых кислот.

Первичная структура Б Состав и последовательность мономерных звеньев Б определяют их т. н. первичную структуру. Все нуклеиновые кислоты являются линейными гетерополимерами - цепочками, к звеньям которых присоединены боковые группы - основания: аденин и тимин (в РНК - урацил), гуанин и цитозин; в некоторых случаях (главным образом в т-РНК) боковые группы могут быть представлены другими основаниями. - также гетерополимеры; молекулы их образованы одной или несколькими полипептидными цепочками, соединенными дисульфидными мостиками. В состав полипептидных цепей входит 20 видов различных мономерных звеньев - остатков аминокислот. Молекулярная масса ДНК варьирует от нескольких млн. (у мелких вирусов и бактериофагов) до ста млн. и более (у более крупных фагов); бактериальные клетки содержат по одной молекуле ДНК с молекулярной массой в несколько млрд. ДНК высших организмов может иметь и большую молекулярную массу, но измерить ее пока не удалось из-за разрывов в молекулах ДНК, возникающих при их выделении. Рибосомные РНК имеют молекулярную массу от 600 тыс. до 1,1 млн., информационная (и-РНК) - от сотен тысяч до нескольких миллионов, транспортная (т-РНК) - около 25 тыс. Молекулярная масса варьирует от 10 тыс. (и менее) до миллионов; в последнем случае, однако, обычно возможно разделение частицы на субъединицы, соединенные между собой слабыми, большей частью гидрофобными, связями.

Конформация, т. е. та или иная пространственная форма молекул Б, определяется их первичной структурой. В зависимости от строения и внешних условий молекулы Б могут находиться либо в одной или в нескольких преимущественных конформациях (обычно встречающиеся в природных условиях нативные состояния Б: например, глобулярное строение двойная спираль ДНК), либо принимать многие более или менее равновероятные конформации. делят по пространственной структуре на фибриллярные (нитевидные) и глобулярные; иммунные и некоторые другие имеют, как правило, глобулярную структуру. Для ряда - гемоглобин, миоглобин, рибонуклеаза и др. - эта структура установлена во всех деталях (с определением при помощи рентгеноструктурного анализа расположения каждого Она определяется последовательностью аминокислотных остатков и образуется и поддерживается относительно слабыми взаимодействиями между мономерными звеньями полипептидных цепей в водно-солевом растворе (кулоновские и дипольные силы, связи, гидрофобные взаимодействия), а также дисульфидными связями. Глобула формируется так, что большинство полярных гидрофильных аминокислотных остатков оказывается снаружи и контактирует с растворителем, а большинство неполярных (гидрофобных) остатков находится внутри и изолировано от взаимодействия с водой. Молекулы обладающие избытком неполярных групп, когда часть из них оказывается на поверхности глобулы, образуют высшую, т. н. четвертичную структуру, при которой несколько глобул агрегируют, взаимодействуя между собой в основном неполярными участками (рис. 1). Пространственная структура каждого уникальна и обеспечивает необходимое для его функционирования расположение в пространстве всех звеньев Б, в особенности т. н. активных центров. В то же время она не абсолютно жестка и допускает необходимые в процессе функционирования (при взаимодействии с субстратами, ингибиторами и другими веществами) конформационные сдвиги и изменения.

Пространственная структура нативной ДНК образована двумя комплементарными нитями и представляет собой двойную спираль Крика - Уотсона; в ней противоположные основания попарно связаны связями - аденин с тимином и гуанин с цитозином. Устойчивость двойной спирали обеспечивается, наряду с связями, также гидрофобным взаимодействием между плоскими кольцами оснований, расположенных стопкой (стопочное взаимодействие, или стакинг). Нити РНК спирализованы лишь частично. ДНК вирусов, бактериофагов, бактерий, а также митохондриальная в ряде случаев представляет собой замкнутое кольцо; при этом наряду со спиралью Крика - Уотсона наблюдается еще дополнительная т. н. сверхспирализация.

Денатурация Б Нарушение нативной пространственной структуры Б при различных воздействиях (повышение температуры, изменение концентрации металлов, кислотности раствора и др.) называется денатурацией и в ряде случаев обратимо (обратный процесс называется ренатурацией; рис. 2). Молекулы Б - кооперативные системы: поведение их зависит от взаимодействий составляющих частей. Кооперативность молекул Б определяется тем, что повороты отдельных звеньев из-за внутримолекулярных взаимодействии зависят от конформации соседних звеньев. В основе денатурации Б при изменении внешних условий обычно лежат кооперативные конформационные превращения (например, переходы a-спираль - b-структура, a-спираль - клубок, b-структура - клубок для полипептидов, переход глобула - клубок для глобулярных переход спираль - клубок для нуклеиновых кислот). В отличие от фазовых переходов (кипение жидкости, плавление являющихся предельным случаем кооперативных процессов и происходящих скачком, кооперативные переходы Б совершаются в конечном, хотя и сравнительно узком, интервале изменений внешних условий. В этом интервале одномерные, линейные молекулы (нуклеиновые кислоты, полипептиды), претерпевающие переход спираль - клубок, разбиваются на чередующиеся спиральные и клубкообразные участки (рис. 3).

Переход спираль - клубок в ДНК наблюдается при повышении температуры, добавлении в раствор кислоты или щелочи, а также под влиянием других денатурирующих агентов. Этот переход в гомополинуклеотидах происходит при нагревании в интервале десятых долей °С, в фаговых и бактериальных ДНК - в интервале 3-5°С (рис. 3), в ДНК высших организмов - в интервале 10-15 °С. Чем выше гетерогенность ДНК, тем шире интервал перехода и меньше способность молекул ДНК к ренатурации. Переход спираль - клубок в различных видах РНК носит менее кооперативный характер (рис. 4) и происходит в более широком интервале температурных или других денатурирующих воздействий.

Б - полимерные электролиты, их пространственная конформация и кооперативные переходы зависят как от степени ионизации молекулы, так и от концентрации ионов в среде, что влияет на электростатические взаимодействия как между отдельными частями молекулы, так и между Б и растворителем.

Строение и биологические функции Б Строение Б - результат длительной эволюции на молекулярном уровне, вследствие чего эти молекулы идеально приспособлены к выполнению своих биологических задач. Между первичной структурой, конформацией Б и конформационными переходами, с одной стороны, и их биологическими функциями - с другой, существуют тесные связи, исследование которых - одна из главных задач молекулярной биологии. Установление таких связей в ДНК позволило понять основные механизмы репликации, транскрипции и трансляции, а также мутагенеза и некоторых других важнейших биологических процессов. Линейная структура молекулы ДНК обеспечивает запись генетической информации, ее удвоение при матричном синтезе ДНК и получение (также путем матричного синтеза) многих копий с одного и того же гена, т. е. молекул и-РНК. Сильные ковалентные связи между нуклеотидами обеспечивают сохранность генетической информации при всех этих процессах. В то же время относительно слабые связи между нитями ДНК и возможность вращения вокруг простых связей обеспечивают гибкость и лабильность пространственной структуры, необходимые для разделения нитей при репликации и транскрипции, а также подвижность молекулы и-РНК, служащей матрицей при биосинтезе (трансляция). Исследование пространственной структуры и конформационных изменений на разных стадиях ферментативной реакции при взаимодействии с субстратами и коферментами дает возможность установить механизмы биокатализа и понять природу огромного ускорения реакций, осуществляемого ферментами.

Методы исследования Б При исследовании строения и конформационных превращений Б широко используются как очищенные природные Б, так и их синтетические модели, которые проще по строению и легче поддаются исследованию. Так, при изучении моделями служат гомогенные или гетерогенные полипептиды (с заданным или случайным чередованием аминокислотных остатков). Моделями ДНК и РНК являются соответствующие синтетические гомогенные или гетерогенные полинуклеотиды. К методам исследования Б и их моделей относятся рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, изучение спектров поглощения, оптической активности, люминесценции, методы светорассеяния и динамического двойного лучепреломления, седиментационный метод, вискозиметрия, физико- методы разделения и очистки и ряд др. Все методы, разработанные для изучения синтетических полимеров, применимы и к Б При трактовке свойств Б и их моделей, закономерностей их конформационных превращений используются также методы теоретической физики (статистической физики, термодинамики, квантовой механики и др.).

Лит.: Бреслер С. Е., Введение в молекулярную биологию, М.-Л., 1966; Волькенштейн М. В., Молекулы и жизнь, М., 1965; Уотсон Дж., Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1967; физические методы исследования и нуклеиновых кислот, М., 1967.

Ю. С. Лазуркин.

		Новости 21.11.2024 13:51:14

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.